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La materia oscura ¿está hecha de átomos oscuros?

Posted by keithcoors_00 en 4 octubre, 2009

Lo oscuro acabamos viéndolo; lo completamente claro lleva más tiempo.

Edward Roscoe Murrow

Desde Physics World
Por Edwin Cartlidge
Traducción: KC


Actualmente, los físicos piensan que la mayor parte de la materia oscura en el universo está compuesta de partículas individuales, y el reto es determinar qué tipo de partículas son. Nuevas investigaciones, sin embargo, dan vuelta a este supuesto y afirman que los datos observacionales y experimentales se explican mejor si la materia oscura existe en forma de partículas compuestas – átomos de protones oscuros y electrones oscuros sobre los que actúa el equivalente en materia oscura de la fuerza electromagnética.

Se piensa que la materia oscura constituye más del 80% de la materia en el universo. Como su nombre lo sugiere, la materia oscura no se revela mediante la emisión de luz, ya que no interactúa a través de electromagnetismo. Su existencia se infiere lugar a través de sus efectos gravitatorios sobre la materia normal.

Los candidatos favoritos de los físicos para la materia oscura son una amplia clase de las llamadas Partículas Masivas Débilmente Interactuantes, o WIMPs por sus siglas en inglés (weakly interacting massive particles), que interactúan a través de la fuerza nuclear débil. Los WIMPs están alineados con gran parte de la evidencia observacional de la materia oscura, pero sigue habiendo dos anomalías. Una de ellas es el hecho de que los modelos de WIMP predicen que la materia oscura debe agruparse gravitacionalmente a todas las escalas de distancia, desde las galaxias hasta las sub-estructuras galácticas mucho más pequeñas. Sin embargo, esto no es lo que se observa – los astrónomos no han encontrado estructuras de materia oscura más pequeñas que unos 400 años luz de diámetro.

Y luego está DAMA

El otro problema se refiere a los resultados de experimentos en la Tierra, diseñados para detectar las partículas de materia oscura directamente a través de su colisión con los núcleos de la materia ordinaria. Una de estas colaboraciones experimentales, DAMA, en el laboratorio del Gran Sasso en Italia, ha generado controversia al afirmar que se han recogido pruebas muy fuertes de la materia oscura dentro de su detector. Lamentablemente, los resultados de DAMA no pueden interpretarse como la colisión de las WIMPs sin que parezca que contradicen fuertemente una serie de experimentos de todo el mundo.

Ahora, David Kaplan y sus colegas de la Universidad Johns Hopkins en los EE.UU. dicen que estos dos problemas podrían superarse si la materia oscura no se compone de partículas fundamentales individuales sino que está constituída en gran parte de “átomos” compuestos. Estos átomos se formarían con el equivalente en materia oscura de protones y electrones unidos por el equivalente de la fuerza electromagnética, y estarían acompañados de una cierta fracción de átomos ionizados – en otras palabras, electrones y protones libres.

Los investigadores señalan que la existencia de estas partículas cargadas han alterado la evolución de la materia oscura en el universo temprano. Los WIMPs, siendo neutros, se desvincularon de la radiación normal a menos de 1 segundo después del Big Bang, mientras que la materia oscura atómica, con su fracción ionizada, se habría mantenido en equilibrio térmico con la radiación oscura durante los primeros 20 minutos. El universo, por lo tanto, se ha ampliado a un tamaño determinado antes de que una aglutinación gravitatoria pudiese haber ocurrido, determinando el tamaño de las estructuras de materia oscura más pequeñas que vemos hoy.

Colisiones inelásticas

Para explicar la discrepancia entre DAMA y otros experimentos, Kaplan y sus colegas se basan en una idea formulada por Neal Weiner y David Tucker-Smith en 2001. Weiner y Tucker-Smith propusieron que las colisiones detectadas por DAMA son inelásticas, que parte de la energía cinética se pierde, porque durante la colisión las partículas de materia oscura absorben la energía para volverse más masivas y que es mucho más probable que estas colisiones que reducen la energía se produzcan con el yoduro de sodio relativamente pesado del detector DAMA que con, por ejemplo, el silicio y germanio, del detector CDMS en los EE.UU. El grupo de Kaplan, por otra parte, dice que esta pérdida de energía se explica por los átomos entrantes de materia oscura saltando a un nivel de energía cuando chocan, más que debido a la creación de nuevas partículas que se postulan específicamente para este proceso.

Los investigadores admiten que hay una “tensión” dentro de su modelo, porque la explicación de la estructura faltante en el universo requiere una mayor fracción de átomos oscuros para ser ionizados que la requerida para explicar la diferencia entre los resultados experimentales. Pero dicen que esta diferencia puede ser resuelta si la materia oscura atómica y ionizada asumen diferentes formas de halo en las galaxias.

Christopher Wells, colega de Kaplan, admite que su propuesta es especulativa, pero tiene el beneficio adicional de considerar la materia oscura más en línea con la materia ordinaria que conocemos. De hecho, dicen que los átomos de hidrógeno oscuro podría unirse para formar moléculas de hidrógeno y que la formación de estas moléculas puede conducir a la creación de “estrellas oscuras” u otros objetos compactos. Añaden que la interacción de los fotones oscuros con fotones ordinarios podría dar lugar a líneas de emisión en los espectros de rayos gamma cósmicos.

¿No son realmente problemas?

Daniel Hooper, un astrofísico en el Fermilab en los EE.UU., no cree que los problemas tratados por el modelo atómico de materia oscura son en realidad problemas en lo absoluto – que el problema de la formación de estructuras está esencialmente resuelto, mientras que los resultados DAMA “no son muy convincentes”. “Dicho esto”, añade, “a los científicos que piensan que se trata de cuestiones que necesitan soluciones, la idea de la ‘materia oscura atómica”, presentada aquí, no parece resolver el problema con suficiente facilidad”.

Acerca del autor

Edwin Cartlidge es un periodista científico con sede en Roma

Imagen: Esta imagen compuesta del Telescopio Espacial Hubble muestra un “anillo” de materia oscura en el cúmulo de galaxias Cl 0024 +17. El anillo es uno de los más fuertes elementos de evidencia hasta la fecha para la existencia de materia oscura. (Crédito: NASA / ESA / MJ Jee y H. Ford, la Universidad Johns Hopkins)
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